物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：為了提高農(nóng)業(yè)管理的科學(xué)性和工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺通過智能傳感器技術(shù)采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和智能管理。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控功能，使用戶能夠及時(shí)處理各種環(huán)境信息，提高管理效率和生產(chǎn)效率。測試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、可靠性高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，為智能化農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)提供了一種可行的方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)；傳感器技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的必然選擇，但真正推廣仍然有很大的障礙，就當(dāng)下的環(huán)境來說，主要存在的問題有：現(xiàn)有的生產(chǎn)模式限制了物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)成本過高導(dǎo)致無法普遍推廣；最重要的是，在實(shí)際應(yīng)用中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，使用效果低于預(yù)期。不可否認(rèn)的是，數(shù)據(jù)信息時(shí)代的發(fā)展已經(jīng)在很大程度上改善了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的不足，農(nóng)民可以不再憑借經(jīng)驗(yàn)判斷作物的生長狀況，而是利用科學(xué)技術(shù)提高生產(chǎn)力。此外，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有效解決了硬件平臺搭建的難題，極大地降低了成本，使智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)更便于控制，同時(shí)也讓物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得到更充分、更有效的利用。圖像處理技術(shù)與多媒體傳感器的智能使用有效地優(yōu)化了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以更快速、更準(zhǔn)確地為耕種環(huán)境作出決策。目前，智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入新時(shí)期，如何更有效地利用高科技手段是目前研究的主要方向之一[1]。本文所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合后及時(shí)傳送至軟件終端，并保留歷史記錄，每個(gè)周期會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和環(huán)境預(yù)測，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，簡單的架構(gòu)降低了使用成本和使用技術(shù)難度。

1系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，農(nóng)業(yè)智能管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用硬件與軟件相結(jié)合的方式，其中硬件平臺采用嵌入式系統(tǒng)搭建，主控芯片借助串口發(fā)送指令，利用Wi-Fi無線通信技術(shù)，遠(yuǎn)程控制各種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣溫濕度、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等，在同一局域網(wǎng)下，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到軟件終端，并設(shè)置預(yù)先報(bào)警的規(guī)則實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，為用戶提供智能決策的方案，及時(shí)改善環(huán)境數(shù)據(jù)，以便達(dá)到最適合農(nóng)作物生長的環(huán)境[2]。

1.1智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

該智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)針對不同的環(huán)境和應(yīng)用的對象，包括智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、預(yù)防報(bào)警等功能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以有效地與環(huán)境建立聯(lián)系，達(dá)到對農(nóng)作物生長進(jìn)行管理和監(jiān)控的作用[3]。

1.1.1智能監(jiān)控。通過各種傳感器設(shè)備實(shí)現(xiàn)對土壤濕度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、環(huán)境濕度和CO2濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.1.2數(shù)據(jù)采集。利用硬件平臺的上位機(jī)通過串口通信發(fā)送指令來控制傳感器采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，然后上傳到軟件終端。

1.1.3遠(yuǎn)程控制。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在同一局域網(wǎng)下所有設(shè)備均具有遠(yuǎn)程控制的功能，用戶通過軟件終端可以對整個(gè)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。

1.1.4預(yù)防報(bào)警。針對不同農(nóng)作物設(shè)置不同環(huán)境條件，當(dāng)傳感器所采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)值不符時(shí)，便會(huì)觸發(fā)報(bào)警功能，方便用戶及時(shí)采取措施，使當(dāng)前環(huán)境最適宜農(nóng)作物生長。

1.2物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)技術(shù)原理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，其技術(shù)原理為：在農(nóng)業(yè)大棚或農(nóng)作物生長區(qū)安裝智能傳感器設(shè)備和一體化智能控制系統(tǒng)，通過這些傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，可以將農(nóng)業(yè)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)相連接。基于Wi-Fi技術(shù)、RFID技術(shù)和傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對傳感器采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，智能化地控制農(nóng)作物生長環(huán)境，以達(dá)到最適宜農(nóng)作物生長的條件[4]。Wi-Fi技術(shù)可以將各種傳感設(shè)備連接到局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸；RFID技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)中通過對接收頻率信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，然后傳輸?shù)胶笈_和云端，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的控制；傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，主要用于進(jìn)行信息交換和傳輸，且具有數(shù)據(jù)存儲功能[5]。

2硬件數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)主要由供電系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器設(shè)備組成，如圖2所示。供電系統(tǒng)：硬件主控系統(tǒng)通過USB串口電路供電，輸出電壓為5V。單片機(jī)控制系統(tǒng)：該模塊采用STM32F104增強(qiáng)型芯片，此芯片具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，可以兼容5V的I/O管腳，最多有112個(gè)快速I/O端口，且多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，非常適合用于控制傳感器采集數(shù)據(jù)。在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，可以接收、執(zhí)行、發(fā)送指令，并按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備：針對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境特點(diǎn)，主要的傳感器采集設(shè)備有土壤濕度傳感器、大氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等；此外，還包括報(bào)警模塊中的蜂鳴器設(shè)備、監(jiān)控模塊的攝像頭設(shè)備。控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于嵌入式系統(tǒng)的UART串口通信協(xié)議，通過配置好無線通信協(xié)議即可發(fā)送接收數(shù)據(jù)。利用串口可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信，通過編寫程序使上位機(jī)發(fā)送各種指令控制傳感器和報(bào)警模塊進(jìn)行相應(yīng)操作；軟件終端主要用于發(fā)送控制指令，然后控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化處理，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及設(shè)備的開關(guān)運(yùn)行[6]。

3軟件終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件終端利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，與主控制器在同一局域網(wǎng)下，從而使傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)杰浖K端，進(jìn)行一系列的歸一化處理與綜合分析，為了方便用戶更直觀了解環(huán)境數(shù)據(jù)，軟件終端可以導(dǎo)出圖表方便用戶分析。所用的軟件都基于Windows和An-droid系統(tǒng)進(jìn)行管理，軟件終端操作流程如圖3所示。整個(gè)軟件終端系統(tǒng)通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺搭建，其所提供的服務(wù)和功能詳細(xì)且操作便捷，按照上述操作流程，即可快速上手整個(gè)智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)，一體化的操作節(jié)省人力、物力資源。

3.1阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺

該平臺提供了安全可靠的設(shè)備連接通信能力，支持設(shè)備采集數(shù)據(jù)上傳到云端，可以自定義Topic通信，支持多種設(shè)備終端開發(fā)和開發(fā)板接入，此外還提供方便快捷的設(shè)備管理功能和非常清晰的管理界面[7]。基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的物聯(lián)網(wǎng)終端可分為4層架構(gòu)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。①物聯(lián)網(wǎng)平臺：是一個(gè)具有管理、控制、部署的多功能一體化平臺，提供Wed可視化界面，方便后臺管理。②邊緣節(jié)點(diǎn)：將邊緣設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，同時(shí)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能。③邊緣設(shè)備：是由硬件系統(tǒng)控制的傳感器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將上傳到邊緣節(jié)點(diǎn)，建立硬件控制系統(tǒng)與軟件終端系統(tǒng)的聯(lián)系。④應(yīng)用層：主要有兩方面，一方面是該物聯(lián)網(wǎng)平臺自己提供的網(wǎng)頁端服務(wù)，利用Web可視化界面查看系統(tǒng)運(yùn)行的狀況；另一方面是利用平臺提供的接口連接自己的應(yīng)用，通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[8]。通過登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺控制臺，在產(chǎn)品管理界面創(chuàng)建產(chǎn)品，然后定義產(chǎn)品功能，將STM32F104芯片與該平臺進(jìn)行通信，通過UART串口通信技術(shù)檢測所開發(fā)設(shè)備的功能，最后在設(shè)備詳情頁面即可查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在該平臺用戶可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的調(diào)試與監(jiān)控，便于將所有硬件設(shè)施統(tǒng)一管理，及時(shí)排查錯(cuò)誤?；赪in-dows端的阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺設(shè)備調(diào)試界面如圖5所示。在設(shè)備調(diào)試界面可以很清楚地看到各種邊緣設(shè)備的運(yùn)行情況與在線狀態(tài)。結(jié)合阿里云提供的其他產(chǎn)品和服務(wù)，使用者可以十分便捷地構(gòu)建一體化智能終端操作平臺，與其他的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)相比，該智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在底層與通訊上花費(fèi)了更少的精力，實(shí)現(xiàn)了更多的功能與服務(wù)，減少了開發(fā)周期，也節(jié)約了大量軟件搭建成本。

3.2環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)構(gòu)建

該系統(tǒng)主要的功能有自動(dòng)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、智能分析、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等4個(gè)部分。該系統(tǒng)構(gòu)建在軟件終端，用戶可以通過網(wǎng)頁、PC端或Android客戶端進(jìn)行控制[9]。環(huán)境監(jiān)控界面如圖6所示。利用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺提供的服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、環(huán)境參數(shù)設(shè)置、智能分析、遠(yuǎn)程控制設(shè)備等功能，在網(wǎng)頁端和手機(jī)客戶端均可以清晰地查看各種功能的運(yùn)行效果和數(shù)據(jù)分析。如在環(huán)境監(jiān)控界面可以看到的消息數(shù)，可以預(yù)設(shè)報(bào)警規(guī)則，全面監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)[10]。

3.3測試結(jié)果與分析

為了方便測試，以Android客戶端為例顯示測試界面，顯示界面如圖7所示。為了便于對比分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用生活中常用的溫度計(jì)、濕度計(jì)、二氧化碳記錄儀工具測量實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)。通過對比分析實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與傳感器測量并通過軟件處理在終端顯示的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，誤差并不大，其誤差均低于0.5%。對于農(nóng)作物生長環(huán)境來說，這些誤差不足以影響農(nóng)作物生長，說明這些數(shù)據(jù)十分具有指導(dǎo)意義，因而作為智能環(huán)境監(jiān)控設(shè)備其數(shù)據(jù)是合理的[11]。

4結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上采用軟件、硬件結(jié)合的方式，通過嵌入式系統(tǒng)技術(shù)搭建硬件控制平臺，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，便于環(huán)境監(jiān)控和智能化管理，用戶不但可以通過Web網(wǎng)頁端、PC端和Android客戶端進(jìn)行監(jiān)視，還可以在軟件操作系統(tǒng)上對農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行智能化管理與控制，及時(shí)調(diào)整當(dāng)前不適的環(huán)境條件，給農(nóng)作物生長提供最好的保障，不僅減少了農(nóng)業(yè)管理人員的工作量和操作難度，而且在農(nóng)作物生長環(huán)境改善和農(nóng)作物生產(chǎn)效率提高方面有著廣泛的應(yīng)用前景[12]。

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作者：彭元堃 楊艷 楊瑋 陳士燃 單位：蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院